Цепная передача механической энергии

Введение

Способ передачи механической мощности

Цепной привод – это способ передачи механической мощности из одного места в другое. Он часто используется для передачи мощности на колеса транспортных средств, особенно велосипедов и мотоциклов. Он также применяется в широком спектре машин, помимо транспортных средств. Чаще всего мощность передается посредством роликовой цепи, известной как приводная или трансмиссионная цепь, проходящей через зубчатое колесо, при этом зубья колеса входят в зацепление с отверстиями в звеньях цепи. Колесо вращается, и это тянет цепь, вводя механическую силу в систему. Другой тип приводной цепи – цепь Морзе, изобретенная компанией Morse Chain Company из города Итака, штат Нью-Йорк, США. Она имеет перевернутые зубья. Иногда мощность отбирается просто вращением цепи, что может использоваться для подъема или буксировки объектов. В других ситуациях устанавливается второе зубчатое колесо, и мощность извлекается путем присоединения валов или ступиц к этому колесу. Хотя приводные цепи часто представляют собой простые овальные контуры, они также могут огибать углы, размещая более двух зубчатых колес вдоль цепи; зубчатые колеса, которые не вводят мощность в систему или не передают ее, обычно называются направляющими колесами. Изменяя диаметр входного и выходного зубчатых колес относительно друг друга, можно изменить передаточное отношение. Например, когда педали велосипеда совершают один оборот, это приводит к тому, что зубчатое колесо, приводящее в движение колеса, совершает более одного оборота. Дуплексные цепи – это еще один тип цепи, по сути состоящий из двух цепей, соединенных бок о бок, что позволяет передавать больше мощности и крутящего момента.

История

Самое старое известное применение цепного привода встречается в полиболе, описанном греческим инженером Филоном Византийским (III век до н.э.). Две плоские соединенные цепи были подключены к лебедке, которая, наматываясь вперед и назад, автоматически выпускала стрелы машины, пока не заканчивался магазин. Хотя устройство не передавало мощность непрерывно, поскольку цепи "не передавали мощность от вала к валу и, следовательно, не являлись прямыми предшественниками цепного привода в его классическом понимании", греческая конструкция знаменует начало истории цепного привода, поскольку "более ранних примеров подобного механизма не известно, и более сложных – до XVI века". Также цепной привод использовался в часовых фигурках, которые механически ударяли в гонги и барабаны, показывая время суток. Сам цепной привод преобразовывал вращательное движение в поступательное и приводился в действие гидравлической системой резервуара и водяного колеса водяных часов Су, последнее из которых выполняло роль большой шестерни.

Ремень

Большинство цепных приводов используют зубья для передачи движения между цепью и роликами. Это приводит к меньшим потерям на трение, чем в приводных системах с ремнями, которые часто полагаются на трение для передачи движения. Хотя цепи могут быть прочнее ремней, их большая масса увеличивает инерцию трансмиссии. Приводные цепи чаще всего изготавливаются из металла, а ремни – из резины, пластика, уретана или других материалов. Если приводная цепь тяжелее эквивалентного приводного ремня, система будет иметь большую инерцию. Теоретически это может привести к большему маховому эффекту, однако на практике инерция ремня или цепи часто составляет небольшую долю общей инерции трансмиссии. Одна из проблем роликовых цепей – изменение скорости, или рывки, вызванные ускорением и замедлением цепи при ее движении вокруг зубчатого колеса звено за звеном. Это начинается, как только линия шага цепи соприкасается с первым зубом зубчатого колеса. Этот контакт происходит в точке ниже делительной окружности зубчатого колеса. По мере вращения зубчатого колеса цепь поднимается до делительной окружности, а затем опускается обратно по мере продолжения вращения зубчатого колеса. Из-за фиксированной длины шага линия шага звена пересекает хорду между двумя точками шага на зубчатом колесе, оставаясь в этом положении относительно зубчатого колеса до выхода звена из зубчатого колеса. Это поднятие и опускание линии шага является причиной хордального эффекта или изменения скорости. Иными словами, обычные роликовые цепные приводы подвержены потенциальной вибрации, поскольку эффективный радиус действия в комбинации цепи и зубчатого колеса постоянно меняется во время вращения ("хордальное действие"). Если цепь движется с постоянной скоростью, то валы должны постоянно ускоряться и замедляться. Если одно зубчатое колесо вращается с постоянной скоростью, то цепь (и, вероятно, все остальные зубчатые колеса, которые она приводит в движение) должна постоянно ускоряться и замедляться. Обычно это не является проблемой для многих приводных систем; однако большинство мотоциклов оснащены резиновыми амортизаторами в задней ступице колеса, чтобы практически устранить эту проблему вибрации. Зубчатые ременные приводы разработаны для ограничения этой проблемы, работая при постоянном радиусе шага. Цепи часто уже, чем ремни, и это может облегчить их переключение на большие или меньшие передачи для изменения передаточного отношения. Многоскоростные велосипеды с переключателями скоростей используют это. Кроме того, более надежное зацепление цепи может облегчить создание передач, которые могут увеличиваться или уменьшаться в диаметре, снова изменяя передаточное отношение. Однако некоторые новые синхронные ремни заявляют о "производительности, эквивалентной роликовым цепным приводам той же ширины". Оба типа могут использоваться для перемещения объектов, прикрепляя к ним карманы, ковши или рамы; цепи часто используются для перемещения вещей вертикально, удерживая их в рамах, как в промышленных тостерах, в то время как ремни хорошо подходят для перемещения вещей горизонтально в виде конвейерных лент. Необычно, когда системы используются в комбинации; например, ролики, приводящие в движение конвейерные ленты, сами часто приводятся в движение цепями.

Most chain drive systems use teeth to transfer motion between the chain and the rollers. This results in lower frictional losses than belt drive systems, which often rely on friction to transfer motion. Although chains can be made stronger than belts, their greater mass increases drive train inertia. Drive chains are most often made of metal, while belts are often rubber, plastic, urethane, or other substances. If the drive chain is heavier than an equivalent drive belt, the system will have a higher inertia. Theoretically, this can lead to a greater flywheel effect, however in practice the belt or chain inertia often makes up a small proportion of the overall drivetrain inertia. One problem with roller chains is the variation in speed, or surging, caused by the acceleration and deceleration of the chain as it goes around the sprocket link by link. It starts as soon as the pitch line of the chain contacts the first tooth of the sprocket. This contact occurs at a point below the pitch circle of the sprocket. As the sprocket rotates, the chain is raised up to the pitch circle and is then dropped down again as sprocket rotation continues. Because of the fixed pitch length, the pitch line of the link cuts across the chord between two pitch points on the sprocket, remaining in this position relative to the sprocket until the link exits the sprocket. This rising and falling of the pitch line is what causes chordal effect or speed variation. In other words, conventional roller chain drives suffer the potential for vibration, as the effective radius of action in a chain and sprocket combination constantly changes during revolution ("Chordal action"). If the chain moves at constant speed, then the shafts must accelerate and decelerate constantly. If one sprocket rotates at a constant speed, then the chain (and probably all other sprockets that it drives) must accelerate and decelerate constantly. This is usually not an issue with many drive systems; however, most motorcycles are fitted with a rubber bushed rear wheel hub to virtually eliminate this vibration issue. Toothed belt drives are designed to limit this issue by operating at a constant pitch radius). Chains are often narrower than belts, and this can make it easier to shift them to larger or smaller gears in order to vary the gear ratio. Multi speed bicycles with derailleurs make use of this. Also, the more positive meshing of a chain can make it easier to build gears that can increase or shrink in diameter, again altering the gear ratio. However, some newer synchronous belts claim to have "equivalent capacity to roller chain drives in the same width". Both can be used to move objects by attaching pockets, buckets, or frames to them; chains are often used to move things vertically by holding them in frames, as in industrial toasters, while belts are good at moving things horizontally in the form of conveyor belts. It is not unusual for the systems to be used in combination; for example the rollers that drive conveyor belts are themselves often driven by drive chains.

Двигательные валы

Карданные валы – еще один распространенный способ передачи механической мощности, который иногда рассматривается в сравнении с цепным приводом. В частности, выбор между ременным, цепным и карданным приводом является ключевым конструкторским решением для большинства мотоциклов. Карданные валы, как правило, прочнее и надежнее цепных приводов, но конические шестерни имеют значительно большее сопротивление, чем цепь. Поэтому практически все высокопроизводительные мотоциклы используют цепной привод, а карданный привод обычно применяется на мотоциклах, не предназначенных для спортивных целей. Зубчатые ременные приводы используются в некоторых (неспортивных) моделях.

Велосипеды

Цепной привод был ключевой особенностью, которая отличала велосипед безопасности, представленный в 1885 году и имевший два колеса одинакового размера, от велосипеда с прямым приводом, известного как "пенни-фартинг" или "высокий велосипед". Популярность велосипеда безопасности с цепным приводом привела к упадку пенни-фартинга и до сих пор остается базовым элементом конструкции велосипедов.

Мотоциклы

Цепной, ременной или карданный привод – это фундаментальное конструкторское решение при разработке мотоцикла; почти все мотоциклы используют один из этих трех типов привода.